Элементы IV группы главной подгруппы. Углерод. План: Нахождение в природе Электронное строение и положение в ПСХЭ Методы получения: лабораторные и промышленные Аллотропные видоизменения углерода Химические свойства. Карбиды Применение. Токсичность Интересное об углероде.

Нахождение в природе. Среди множества химических элементов, без которых невозможно существование жизни на Земле, углерод является главным. Более 99% углерода в атмосфере содержится в виде углекислого газа. Около 97% углерода в океанах существует в растворённой форме ( ), а в литосфере - в виде минералов. Элементарный углерод присутствует в атмосфере в малых количествах в виде графита и алмаза, а в почве - в форме древесного угля.

Положение в ПСХЭ. Общая характеристика элементов подгруппы углерода. Главную подгруппу IV группы периодической системы Д. И. Менделеева образуют пять элементов - углерод, кремний, германий, олово и свинец. В связи с тем, что от углерода к свинцу радиус атома увеличивается, размеры атомов возрастают, способность к присоединению электронов, а, следовательно, и неметаллические свойства будут ослабевать, легкость же отдачи электронов - возрастать.

Электронное строение В нормальном состоянии элементы этой подгруппы проявляют валентность, равную 2. При переходе в возбуждённое состояние, сопровождающееся переходом одного из s – электронов внешнего слоя в свободную ячейку p – подуровня того же уровня, все электроны наружного слоя становятся не спаренными и валентность при этом возрастает до 4.

Методы получения: лабораторные и промышленные. Углерод Неполное сжигание метана: СН 4 + О 2 = С + 2Н 2 О Оксид углерода (II) В промышленности: Оксид углерода (II) получают в особых печах, называемых газогенераторами, в результате двух последовательно протекающих реакций. В нижней части газогенератора, где кислорода достаточно, происходит полное сгорание угля и образуется оксид углерода (IV): C + O 2 = CO кДж.

По мере продвижения оксида углерода (IV) снизу вверх последний соприкасается с раскалённым углём: CO 2 + C = CO – 175 кДж. Получающийся газ состоит из свободного азота и оксида углерода (II). Такая смесь называется генераторным газом. В газогенераторах иногда через раскалённый уголь продувают водяной пар: C + H 2 O = CO + H 2 – Q, «CO + H 2 » - водяной газ. В лаборатории: Действуя на муравьиную кислоту концентрированной серной кислотой, которая связывает воду: HCOOH H 2 O + CO.

Оксид углерода (IV) В промышленности: Побочный продукт при производстве извести: CaCO 3 CaO + CO 2. В лаборатории: При взаимодействии кислот с мелом или мрамором: CaCO 3 + 2HCl CaCl 2 + CO 2 + H 2 O. Карбиды Карбиды получают при помощи прокаливания металлов или их оксидов с углём.

Угольная кислота Получают растворением оксида углерода (IV) в воде. Так как угольная кислота очень не прочное соединение, то эта реакция обратима: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3. Кремний В промышленности: При нагревании смеси песка и угля: 2C + SiO 2 Si + 2CO. В лаборатории: При взаимодействии смеси чистого песка с порошком магния: 2Mg + SiO 2 2MgO + Si.

Кремниевая кислота Получают при действии кислот на растворы её солей. При этом она выпадает в виде студенистого осадка: Na 2 SiO 3 + HCl 2NaCl + H 2 SiO 3 2H + + SiO 3 2- H 2 SiO 3

Аллотропные видоизменения углерода. Углерод существует в трех аллотропных модификациях: алмаз, графит и карбин.

Графит. Мягкий графит имеет слоистое строение. Непрозрачен, серого цвета с металлическим блеском. Довольно хорошо проводит электрический ток, благодаря наличию подвижных электронов. Скользок на ощупь. Одно из самых мягких среди твердых веществ. Рис.2 Модель решетки графита.

Алмаз. Алмаз - самое твердое природное вещество. Кристаллы алмазов высоко ценятся и как технический материал, и как драгоценное украшение. Хорошо отшлифованный алмаз - бриллиант. Преломляя лучи света, он сверкает чистыми, яркими цветами радуги. Самый крупный из когда-либо найденных алмазов весит 602 г, имеет длину 11 см, ширину 5 см, высоту 6 см. Этот алмаз был найден в 1905 г и носит имя «Кэллиан». Рис.1 Модель решетки алмаза.

Карбин и Зеркальный углерод. Карбин представляет собой порошок глубокого черного цвета с вкраплением более крупных частиц. Карбин - самая термодинамически устойчивая форма элементарного углерода. Зеркальный углерод имеет слоистое строение. Одна из важнейших особенностей зеркального углерода (кроме твердости, стойкости к высоким температурам и т. д.) - его биологическая совместимость с живыми тканями.

Химические свойства. Щелочи переводят кремний в соли кремниевой кислоты с выделением водорода :Si + 2КОН + H 2 O= К 2 Si Н 2 С водой углерод и кремний реагируют лишь при высоких температурах: С + Н2О ¬ СО + Н2 Si + ЗН2О = Н2SiO3 + 2Н2 Углерод в отличие от кремния непосредственно взаимодействует с водородом: С + 2Н2 = СН4

Карбиды. Соединения углерода с металлами и другими элементами, которые по отношению к углероду являются электроположительными, называются карбидами. При взаимодействии карбида алюминия с водой образуется метан Al 4 C H 2 O = 4Al (OH) 3 + 3CH 4 При взаимодействии с водой карбида кальция – ацетилен: CaC 2 + 2H 2 O = Ca (OH) 2 + C 2 H 2

Применение. Углерод определяется тем, что свыше 90 % всех первичных источников потребляемой в мире энергии приходится на органическое топливо. Гидрокарбонат натрия продают в аптеках и продовольственных магазинах под названием питьевой соды.Питьевую соду применяют в кондитерском деле и хлебопечении.

Оксид углерода (IV) Получение сахара. Тушение пожаров. Производство фруктовых вод. «Сухой лёд».

Оксид кремния (IV) Силикатных кирпичи. Керамические изделия. Стекло.

Силикаты. Клей.

Интересный факт. Подземный углерод мог не раз вызвать массовое вымирание на планете и постоянно грозит разразиться новой катастрофой в любой момент. Одно из этих событий произошло 245 миллионов лет назад в конце Пермской эры, которая представляла собой самый трагический случай вымирания фауны в земной хронологии: ископаемые породы свидетельствуют о вымирании тогда около 96% всех морских обитателей. Возможно подобный же случай привел к началу вымирания динозавров задолго до катастрофы с падением астероида 65 миллионов лет.